Herstellung endbearbeiteter, beschichteter Druckgussbauteile im Verbundgussverfahren durch prozessintegrierte Applikation thermisch gespritzter Schichten in Gussformen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der „Schichttransplantation“ handelt es sich um ein Verbundgussverfahren für die Beschichtung von Druckgussbauteilen, bei dem die Beschichtung des Gussteils während des Gießprozesses erfolgt und in Folge dessen einige Verfahrensgrenzen herkömmlicher thermischer Beschichtungsverfahren aufgehoben werden. Bei dem Verfahren werden auswechselbare Bereiche der Kavität des Druckgusswerkzeugs vor dem Gießvorgang durch herkömmliche thermische Spritzverfahren beschichtet und in das Druckgusswerkzeug eingesetzt. Während des Gießvorgangs erfolgt die Anbindung des Gusswerkstoffes an die Beschichtung, die sich beim Entformen von dem Wechseleinsatz ablöst und als Negativ auf dem Gussteil verbleibt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die Realisierbarkeit des Verfahrens sowie die grundlegenden Wirkprinzipien der Technologie „Schichttransplantation“ im Aluminiumdruckguss untersucht. Durch die Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass durch das Verfahren sowohl die flächige Beschichtung von Druckgussteilen, als auch die Innenbeschichtung von Bohrungen realisiert werden können. Durch die Entwicklung von geeigneten Werkzeugkonzepten konnten zudem Innenbeschichtungen von Bohrungen ohne Ausformschräge realisiert werden, wodurch der Nachbearbeitungsaufwand für entsprechende Funktionsflächen deutlich verringert werden kann. Durch die Verwendung von spanend oberflächenstrukturierten Wechseleinsätzen konnte die Oberfläche der übertragenen Beschichtung mit an die jeweilige Funktion der Beschichtung angepassten Strukturen und Mikrostrukturen versehen werden. Das Erzeugen dieser Strukturen erfolgt während des Beschichtungsvorgangs der Wechseleinsätze, einem Urformprozess gleich, und erlaubt so eine lokal anpassbare und höchst ökonomische Strukturierung der Beschichtungsoberfläche. Eine Untersuchung der tribologischen Eigenschaften zeigte bei einigen mikrostrukturierten transplantierten Beschichtungen ein günstigeres Reibverhalten im Vergleich zu den geschliffenen Referenzschichten und weist so ein hohes Potential für entsprechende Anwendungen auf. Grundsätzlich kann die Schichttransplantation in allen Bereichen angewendet werden, in denen eine Funktionalisierung der Oberflächen von Druckgussbauteilen gefordert ist. Insbesondere bei der Herstellung von innenbeschichteten Bohrungen zeigt das Verfahren sein volles Potential, da zum einen die komplexe Innenbeschichtung durch eine gewöhnliche Außenbeschichtung des schichttragenden Wechseleinsatzes substituiert werden kann und sich zum anderen erstmals die Möglichkeit ergibt, Gussteilbohrungen mit geringen Durchmessern mit thermischen Spritzschichten versehen zu können. Als eines von zwei Anwendungsbeispielen für das Potential des Schichttransplantationsverfahrens und gleichzeitig als eines der Demonstrator-Szenarien eines beantragten AiF-Forschungsvorhabens sei hier das „Downsizing“ von Hubkolben der Automobilindustrie genannt. Der Schichttransplantationsprozess kann zur Herstellung von Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen mit in den Druckgussprozess integrierter nachbearbeitungsarmer Innenbeschichtung der Zylinderlaufflächen eingesetzt werden. Als zweites Anwendungsbeispiel sei hier die Beschichtung von Gussteilbohrungen mit geringem Durchmesser z. B. für die Substitution von montierten oder gefügten Gleitlagern in Kleingussteilen genannt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Herstellung von nachbearbeitungsarmen Innenbeschichtungen auf Druckgussteilen durch Transplantation thermischer Spritzschichten. Tagungsband Werkstofftechnisches Kolloquium – WTK, Wielage, B. (Hrsg.), Chemnitz, Eigenverlag, S. 129-139, 2012
Bach, F.-W.; Möhwald, K.; Kerber, K.; Erne, M.; Knödler, P.; Otten, M.; Biermann, D.; Zabel, A.; Peuker, A.
- Manufacturing of Coated Net-Shape Workpieces by Composite Pressure Die Casting, CIRP 2013, STC “S”, Paris, 24 January 2013
Kersting, P.; Peuker, A.; Biermann, D.; Maier, H. J.; Kerber, K.; Otten, M.; Möhwald, K.; Knödler, P.
- Transfer of Micro structures by Transplantation of Thermal Sprayed Coatings. In: K.-D. Bouzakis et. al. (Hg.): Proceedings of the 10th International Conference THE “A“ Coatings. Aachen: Shaker, S. 193-204, 2013
P. Knödler, A. Peuker, M. Erne, H.J. Maier, K. Möhwald, D. Biermann K. Kerber, M. Otten
- Untersuchung der mikro- und makroskopischen Abbildungsgenauigkeit von im Schichttransplantationsprozess übertragenen Oberflächenbeschichtungen. In: Verbundwerkstoffe. 19. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Wanner, A.; Weidemann, K. A. (Hrsg.), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), S. 10-16, 2013
Otten, M.; Möhwald, K.; Kerber, K.;. Erne, M.; Knödler, P.; Maier, H. J.; Biermann, D.; Zabel, A.; Peuker, A.
- Development and Analysis of Microstructures for the Transplantation of Thermally Sprayed Coatings. Procedia CIRP, 14 (2014), S. 245–250
Freiburg, D.; Biermann, D.; Peuker, A.; Kersting, P.; Maier, H.-J.; Möhwald, K.; Knödler, P.; Otten, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.03.054) - Development and Analysis of Microstructures for the Transplantation of Thermally Sprayed Coatings. Procedia CIRP, HPC, Berkeley, 25 June 2014
Freiburg, D.; Biermann, D.; Peuker, A.; Kersting, P.; Maier, H.-J.; Möhwald, K.; Knödler, P.; Otten, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.03.054https://s100.copyright.com/AppDispatchServlet?publisherName=ELS&contentID=S2212827114001978&orderBeanReset=true) - Werkzeugentwicklung für die Transplantation thermisch gespritzter mikrostrukturierter Funktionsschichten auf Druckgusswerkstücke. Vulkan-Verl. 2015. V, 179 S. : Ill., graph. Darst., (Schriftenreihe des ISF ; 74) Zugl.: Dortmund, Techn. Univ., Diss., 2014
Achim Peuker
